Прямоканальный катод

Прямоканальный катод

Реферат

 

Использование: в электронной технике. Сущность изобретения: в прямоканальном катоде катодное тело жестко скреплено с нитью накаливания и состоит из сплава иридия и лантаном или церием, вольфрамом и/или рением при их соотношениях, мас. %: лантан или церий 5 - 12, вольфрам и/или рений 2 - 25, иридий - остальное, а нить накаливания состоит из сплава вольфрама и рения при их соотношениях, мас.%: вольфрам 70 - 90, рений 10 - 30 или из сплава вольфрама, рения и иридия при их соотношениях, мас.%: вольфрам 70 - 90, рений 9,5 - 25,0, иридий 0,5 - 5,0. 1 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к электронной технике, а точнее к прямонакальному катоду, находящему применение в качестве источника электронов электронно-лучевых трубок, таких как дисплейные трубки высокого разрешения, кинескопы телевидения высокой четкости, проекционные кинескопы и ряд других электронно-лучевых трубок специального назначения.

Проблема создания прямоугольных термоэлектронных катодов малых размеров, обеспечивающих высокую плотность эмиссии, тесно связана с разработкой и подбором взаимозависимых между собой составов катодного тела и нити накаливания (подогревателя), так как соединение катодного тела с подогревателем вызывает при высокой температуре химические и диффузионные процессы на границе катод подогреватель (нити накаливания), которые приводят к разрушению катода или потери им эмиссионной активности.

Широко известно применение катода малого размера, обеспечивающего высокую плотность эмиссии на основе гексаборида лантана. Этот катод, особенно в его монокристаллической модификации, может обеспечить получение плотности тока до нескольких ампер или десятков ампер с квадратного сантиметра даже при относительно малых (менее 1 мм) размерах катода. В связи с этим такой катод применяется в виде узлов с малой эмиттирующей поверхностью или даже острийных или почти острийных эмиттеров.

Однако, несмотря на привлекательность электронных источников из гексаборида лантана, они до настоящего времени применяются в основном в штучных или малосерийных электровакуумных установках, в которых имеется возможность прямого доступа в объем установки и замены катодных узлов, вышедших из строя. Это связано с тем, что надежной технологии соединения катодного тела из гексаборида лантана с нитью накаливания из тугоплавких металлов, таких как вольфрам или его сплавы, которые могут служить нагревателем, не существует, так как вольфрам и другие тугоплавкие металлы, пригодные для изготовления нити накаливания, не образуют с гексаборидом лантана надежного спая. Гексаборид лантана в соприкосновении с вольфрамом образует ряд хрупких химических соединений с вольфрамом (бориды вольфрама), что обуславливает низкие механические свойства узла. Кроме того, реакция между гексаборидом лантана и вольфрамом снижает долговечность катода, так как она увеличивает скорость испарения лантана из катода.

Для преодоления этих трудностей созданы усложненные конструкции прямонакального катода на основе борида лантана и подобных ему химических соединений с высокой эмиссионной способностью. Так, например, известен термоэлектронный катод [1] в котором катодное тело жестко скреплено с нитью накаливания. Указанный катод содержит три слоя. Первый острозаточенный слой состава, обладающего свойством термоионной эмиссии, общей формулы МеВ₆, где Ме щелочноземельный металл (барий, кальций) или редкоземельный металл, выбранный из группы лантана, иттрия, самария и гадолиния. Третий слой состоит из тугоплавкого металла, например тантала, рения или молибдена. Второй слой, предотвращающий реакцию, расположен между первым и третьим слоями. Материал второго слоя выбирают из одной или более групп, состоящих из боридов и нитридов с высокой температурой плавления и электропроводящими свойствами. Первый и второй токовые выводы вплавлены в третий слой. В результате ток проходит из первого вывода через третий слой во второй вывод.

Указанный катод характеризуется сложностью технологии его изготовления, недостаточно высокой прочностью и долговечностью вследствие относительно низкой химической прочности гексаборида лантана и других используемых соединений в вакууме, а также низкой механической прочности многослойного тела катода, из трех слоев которого два это хрупкие химические соединения. Более того, как показывает практика эксплуатации подобных миниатюрных катодов, слои, изолирующие эмиссионное вещество от нити накала, постепенно подвергаются разрушению, связанному с взаимной диффузией материалов слоев. Это, с одной стороны, уменьшает долговечность катода, так как разрушает его эмиссионный слой, с другой стороны, увеличивает хрупкость катода и нити накаливания, приводя к механической ненадежности всей конструкции.

Известны также прямонакальные катоды, в которых катодное тело жестко скреплено с нитью накаливания, превосходящие по своим эмиссионным свойствам вышеуказанный катод. Это катоды на основе двух или трех сплавов металлов платиновой группы с редкоземельными металлами, например иридия с лантаном или церием, или с металлами, выбранными из титана, гафния, вольфрама, ниобия, молибдена и др. [2] Однако эти прямонакальные катоды характеризуются, тем что между телом катода и подогревателем (нитью накаливания) происходит химическое взаимодействие, приводящее к потере эмиссионных свойств катода.

Освобождаемые при химическом взаимодействии атомы редкоземельных металлов мигрируют по поверхности катодного тела и образуют на ней, в том числе и на эмиссионной ее части, слои плохо эмиттирующих химических соединений, таких как Ir₂La (или Ir₂Ce), а также других соединений с редкоземельными металлами, что приводит к ухудшению эмиссионных свойств указанных катодов.

В основу изобретения положена задача подобрать такой состав катодного тела и нити накаливания, который позволил бы при малых размерах катода обеспечить высокие эмиссионные свойства его и высокие эксплуатационные характеристики.

Задача решена тем, что в заявляемом прямонакальном катоде, в котором катодное тело жестко скреплено с нитью накаливания, на основе сплава, включающих металлы, выбранные из иридия, церия, лантана, вольфрама, согласно изобретению катодное тело состоит из сплава иридия с лантаном или церием, вольфрамом и/или рением при их соотношениях, мас. Лантан или церий 5-12 Вольфрам и/или рений 2-25 Иридий Остальное а нить накаливания состоит из сплава вольфрама и рения при их соотношениях, мас. Вольфрам 70-90 Рений 10-30 или из сплава вольфрама, рения и иридия при их соотношениях, мас. Вольфрам 70-90 Рений 9,5-25,0 Иридий 0,5-5,0 Заявляемый прямонакальынй катод с подобранным составом катодного тела и нити накаливания позволяет обеспечить высокие эмиссионные параметры при небольших размерах катода. Благодаря подобранному указанному составу катодного тела и нити накаливания замедляются процессы химического взаимодействия на границе катодного тела и нити накаливания (подогревателя), что обеспечивает прочность, надежность заявляемого катода и сохранение высоких эмиссионных свойств. Заявляемый катод имеет высокие эксплуатационные характеристики: Рабочая температура 1500-1650^оС Мощность накала 1,2-12 Вт Плотность тока 1-200 А/см² Срок эксплуатации в режиме циклического включения от 1000 до 3000 ч В заявляемом катоде тело катода состоит из сплава иридия с лантаном или церием, вольфрамом и/или рением при их соотношениях, мас. Лантан или церий 5-21 Вольфрам и/или рений 2-25 Иридий Остальное Введенные в состав указанного сплава лантан или церий являются наиболее стойкими к испарению редкоземельными металлами, а вольфрам и рений позволяют снизить химическое сродство материалов катодного тела и нити накаливания, тем самым предотвратить процессы их химического взаимодействия. Количество лантана и церия (5-12 мас.) подобрано таким образом, чтобы устранить возможность появления на поверхности катода плохо эмиттирующих соединений типа Ir₂La. Повышение содержания указанных металлов выше 12 мс. приводит к ухудшению эмиссионных свойств катода, а снижение содеpжания ниже 5 мас. ухудшает срок службы катода вследствие недостаточности запаса активного вещества редкоземельного металла.

Содержание в сплаве вольфрама и/или рения в количестве 2-25 мас. подобрано таким образом, чтобы снизить химическое сродство материалов катодного тела и нити накаливания, поэтому уменьшение содеpжания их или увеличение способствует ухудшению эмиссионных свойств катода.

Нить накаливания в заявляемом катоде состоит из сплава вольфрама и рения при соотношениях, мас. вольфрам 70-90, рений 10-30 или из сплава вольфрама, рения и иридия при соотношениях, мас. Вольфрам 70-90 рений 9,5-25,0 Иридий 0,5-5,0 Используемый в сплаве рений ближе иридию по электроотрицательности, чем вольфрам и не образует с ним интерметаллических соединений. Содержание рения выше 30 мас. нецелесообразно, так как при большем количестве нить накаливания становится хрупкой. Введение в состав сплава вольфрама и рения дополнительно иридия в количестве 0,5-5 мас. позволяет снизить химическое сродство нити накаливания и катодного тела. При этом снижение указанного количества ниже 0,5 мас. или увеличение выше 5 мас. ухудшает механические свойства нити.

Указанные сплавы можно изготовить обычной плавкой в дуговой печи, вакуумной плавкой или порошковым методом из заготовок, состоящих из порошков соответствующих тугоплавких металлов, а также порошков гидридов лантана или церия.

П р и м е р 1. Заявляемый прямонакальный катод состоит из катодного тела в виде цилиндра, одно из оснований которого служит эмиссионной поверхностью (диаметр катода 1 мм), и подогревателя в виде двух нитей накаливания, прикрепленных к одному из оснований тела катода с размерами: длина нити 3,4 мм, диаметр нити 0,12 мм. Катодное тело состоит из сплава, мас. Церий 12 Рений 23 Иридий Остальное Нить накаливания состоит из сплава, мас. Рений 10 Вольфрам Остальное Указанные сплавы заявляемого катода получают порошковым методом из заготовок, состоящих из порошков указанных металлов.

Результаты испытаний заявляемого прямонакального катода выявили его следующие электрические и эксплуатационные характеристики: Рабочая температура катода 1650^оС Мощность накала 9 Вт Ток катода в непрерывном режиме 600 мА Плотность тока катода 75 А/см² Срок эксплуатации в режиме циклического включения накала с длительностью цикла 50 мин включено, 10 мин выключено >1000 ч П р и м е р 2. Заявляемый прямонакальный катод состоит из катодного тела в виде прямоугольного параллелепипеда с размерами сторон: длина 0,6 мм, ширина 0,5 мм, высота 0,4 мм и подогревателя в виде двух нитей накаливания, прикрепленных к одной из граней катодного тела (размеры нити: длина 2,8 мм, диаметр 0,6 мм).

Катодное тело состоит из слава, мас. Церий 8 Вольфрам 3 Иридий Остальное Нить накаливания состоит из сплава, мас. Рений 27 Вольфрам Остальное Изготовлены указанные сплавы в аргонно-дуговой печи на медном водоохлаждаемом кристаллизаторе в атмосфере аргона.

В результате испытаний выявлены следующие электрические и эксплуатационные характеристики указанного катода: Рабочая температура катода 1500^оС Мощность накала 2,4 Вт Ток катода в непре- рывном режиме 60 мА Плотность тока катода 20 А/см² Срок эксплуатации в режиме циклического включения накала с длительностью цикла 50 мин включено, 10 мин выключено 15000 ч П р и м е р 3. Заявляемый прямонакальынй катод состоит из катодного тела в виде параллелепипеда с размерами сторон: длина 0,4 мм, ширина 0,4 мм, высота 0,4 мм и подогревателя в виде двух нитей накала, прикрепленных к одной из граней тела катода с размерами каждой нити: длина 2,5 мм, диаметр 0,5 мм.

Тело катода состоит из сплава, мас. Церий 6 Вольфрам 3 Иридий Остальное Нить накаливания состоит из сплава, мас. Рений 20 Вольфрам Остальное Указанные сплавы изготовлены в дуговой печи на медном водоохлаждаемом кристаллизаторе в атмосфере аргона.

В результате испытаний выявлены следующие электрические и эксплуатационные характеристики указанного катода: Рабочая температура катода 1500^оС Мощность накала 1,4 Вт Ток катода в непре- рывном режиме 2 мА Плотность тока катода 1,2 А/см² Срок эксплуатации катода в режиме цикли- ческого включения накала с длитель- ностью цикла 50 мин включено, 10 мин выклю- чено >30000 ч П р и м е р 4. Заявляемый прямонакальный катод состоит из катодного тела в виде прямоугольного параллелепипеда с размерами сторон: длина 0,4 мм, ширина 0,4 мм, высота 0,4 мм и подогревателя в виде нити накаливания с размерами: длина нити 2 мм, диаметр нити 0,15 мм.

Катодное тело состоит из сплава, мас. Церий 6 Вольфрам 3 Иридий Остальное Нить накаливания состоит из сплава, мас. Рений 10 Иридий 4 Вольфрам Остальное Указанные сплавы изготовлены порошковым методом.

В результате испытаний выявлены следующие электрические и эксплуатационные характеристики указанного катода: Рабочая температура катода 1680^оС Мощность накала 4 Вт Ток катода в непре- рывном режиме 200 мА Плотность тока катода 125 А/см² Срок эксплуатации в режиме постоянного токоотбора 1000 ч П р и м е р 5. Заявляемый прямонакальный катод состоит из катодного тела в виде цилиндра, одно из оснований которого служит эмиссионной поверхностью (диаметр катода 1 мм), и подогревателя в виде двух нитей накаливания, прикрепленных к одному из оснований тела катода (размеры нити: длина 3,4 мм, диаметр 0,12 мм).

Катодное тело состоит из сплава, мас. Церий 12 Рений 23 Иридий Остальное Нить накаливания состоит из сплава, мас. Рений 10 Вольфрам Остальное.

Указанные сплавы изготовлены порошковым методом.

В результате испытаний выявлены следующие электрические и эксплуатационные характеристики указанного катода: Рабочая температура катода 1600^оС Мощность накала 8 Вт Ток катода в непре- рывном режиме 600 мА Плотность тока катода 75 А/см² Срок эксплуатации катода в режиме цикли- ческого включения на- кала с длительностью цикла 50 мин включено, 10 мин выключено >1000 ч П р и м е р 6. Заявляемый прямонакальный катод состоит из катодного тела в виде параллелепипеда с размерами сторон: длина 0,4 мм, ширина 0,4 мм, высота 0,4 мм и подогревателя в виде двух нитей накаливания, прикрепленных к одной из граней тела катода с размерами каждой нити: длина 2,5 мм, диаметр 0,5 мм.

Катодное тело состоит из сплава, мас. Церий 6 Вольфрам 3 Иридий Остальное Нить накаливания состоит из сплава, мас.5: Рений 27 Вольфрам Остальное Указанные сплавы изготавливают в дуговой печи на водоохлаждаемом кристаллизаторе в атмосфере аргона.

В результате испытаний выявлены следующие электрические и эксплуатационные характеристики указанного катода: Рабочая температура катода 1500^оС Мощность накала 1,4 Вт Ток катода в непрерывном режиме 2 мА Плотность тока катода 1,2 А/см² Срок эксплуатации катода в режиме цикли- ческого включения накала с длительностью цикла 50 мин включено, 10 мин выключено >30000 ч П р и м е р 7. Заявляемый прямонакальный катод состоит из катодного тела в виде цилиндра, имеющего размеры: диаметр 1,6 мм, высоту 0,6 мм, и подогревателя в виде двух нитей накаливания, прикрепленных к одному из оснований цилиндра с размерами нитей накаливания: длина 2,5 мм, диаметр нити 0,12 мм.

Катодное тело состоит из сплава, мас. Лантан 10 Вольфрам 12 Иридий Остальное Нить накаливания состоит из сплава, мас. Рений 27 Вольфрам Остальное Указанные сплавы изготовлены порошковым методом.

В результате проведенных испытаний выявлены следующие электрические и эксплуатационные характеристики указанного катода: Рабочая температура катода 1600^оС Мощность накала 12 Вт Ток катода в непрерывном режиме 1,2 А Плотность тока катода 45 А/см² Устойчивость к воз- действию коротких циклов накала в режиме: 1 мин включено, 1 мин выключено, количество циклов 10000.

П р и м е р 8. Заявляемый прямонакальный катод состоит из катодного тела в виде цилиндра, имеющего размеры: диаметр 0,4 мм, высоту 0,5 мм, и подогревателя в виде нити накаливания с размерами: длина нити 3,2 мм, диаметр нити 0,05 мм.

Катодное тело состоит из сплава, мас. Церий 10 Вольфрам 3 Рений 3 Иридий Остальное Нить накаливания состоит из сплава, мас. Рений 20 Вольфрам Остальное П р и м е р 9. Заявляемый прямонакальный катод состоит из катодного тела в виде цилиндра, одно из оснований которого служит эмиссионной поверхностью (диаметр катода 1 мм), и подогревателя в виде двух нитей накаливания, прикрепленных к одному из оснований тела катода с размерами: длина нити 3,4 мм; диаметр нити 0,12 мм. Катодное тело состоит из сплава, мас. Церий 12 Рений 25 Иридий Остальное Нить накаливания состоит из сплава, мас. Рений 30 Вольфрам Остальное Указанные сплавы заявляемого катода получают порошковым методом из заготовок, состоящих из порошков указанных металлов.

Результаты испытаний заявляемого прямонакального катода выявили его следующие электрические и эксплуатационные характеристики: Рабочая температура катода 1650^оС Мощность накала 9 Вт Ток катода в непре- рывном режиме 600 мА Плотность тока катода 80 А/см² Срок эксплуатации в режиме циклического включения накала с длительностью цикла 50 мин включено, 10 мин выключено >1000 ч П р и м е р 10. Заявляемый прямонакальный катод состоит из катодного тела в виде параллелепипеда с размерами сторон: длина 0,4 мм, ширина 0,4 мм, высота 0,4 мм и подогревателя в виде двух нитей накала, прикрепленных к одной из граней тела катода с размерами каждой нити: длина 2,5 мм, диаметр 0,5 мм.

Тело катода состоит из сплава, мас. Церий 5 Вольфрам 2 Иридий Остальное Нить накаливания состоит из сплава, мас. Рений 10 Вольфрам Остальное Указанные сплавы изготовлены в дуговой печи на медном водоохлаждаемом кристаллизаторе в атмосфере аргона.

В результате испытаний выявлены следующие электрические и эксплуатационные характеристики указанного катода: Рабочая температура катода 1500^оС Мощность накала 1,2 Вт Ток катода в непре- рывном режиме 2 мА Плотность тока катода 1 А/см² Срок эксплуатации катода в режиме циклического вклю- чения накала с длитель- ностью цикла 50 мин включено, 10 мин вы- ключено >25000 ч

Формула изобретения

1. ПРЯМОКАНАЛЬНЫЙ КАТОД, в котором катодное тело, жестко скрепленное с нитью накаливания, состоит из сплавов металла редкоземельной группы - лантана или церия, металла платиновой группы - иридия и тугоплавкого металла, отличающийся тем, что катодное тело в качестве тугоплавкого металла содержит вольфрам и/или рений при соотношениях металлов, мас.%.: Лантан или церий - 5 - 12 Вольфрам и/или рений - 2 - 25 Иридий - Остальное а нить накаливания состоит из сплава металлов - вольфрама и рения при их соотношении, мас.%: Вольфрам - 70 - 90 Рений - 10 - 30 2. Катод по п.1, отличающийся тем, сплав металлов нити накаливания дополнительно содержит иридий при следующем соотношении металлов, мас.%: Вольфрам - 70 - 90 Рений - 9,5 - 25,0 Иридий - 0,5 - 5,0.